Фізика 11 клас

АТОМНА І ЯДЕРНА ФІЗИКА

 

Розділ 5 Атомна і ядерна фізика

 

§ 50. ЯДЕРНІ РЕАКЦІЇ

 

Попередньо ми з’ясували, що внаслідок взаємодії частинок відбуваються реакції, які отримали назву ядерних.

Зміна атомних ядер внаслідок їх взаємодії з елементарними частинками і між собою називається ядерною реакцією.

Ядерні реакції відбуваються тоді, коли частинки впритул наближаються до ядра і потрапляють у сферу дії ядерних сил. Однойменно заряджені частинки взаємно відштовхуються. Тому зближення позитивно заряджених частинок з ядрами (чи ядер між собою) можливе, якщо цим частинкам (або ядрам) надати великої кінетичної енергії. Таку енергію надають протонам, дейтронам, а-частинкам та іншим важчим ядрам за допомогою прискорювачів елементарних частинок та йонів.

Для здійснення ядерних реакцій вони ефективніші, ніж а-частинки, що їх випромінюють природні радіоактивні елементи. їм можна надати значно більшої енергії (порядку 105 МеВ), ніж та, яку мають а-частинки (максимально 9 МеВ). Можна використати також протони, які не з’являються в процесі радіоактивного розпаду. А також можна прискорити ядра, важчі, ніж ядра Гелію.

Першу штучну ядерну реакцію здійснив Е. Резерфорд, який «бомбардував» ядра Нітрогену а-частинками. Вона мала такий вигляд:

Перше перетворення атомних ядер за допомогою протонів великої енергії, добутих на прискорювачі, було здійснене в 1932 p., коли вдалося розщепити Літій на дві а-частинки:

 

 

Мал. 209

 

Як видно на фотографії треків у камері Вільсона (мал. 209), ядра Гелію розлітаються в різні боки вздовж однієї прямої відповідно до закону збереження імпульсу (імпульс протона значно менший від імпульсів а-частинок, що виникають).

У розглянутій ядерній реакції кінетична енергія двох утворених ядер Гелію виявилась більшою від кінетичної енергії протона, який вступив у реакцію, на 7,3 МеВ. Перетворення ядер супроводжується зміною їх внутрішньої енергії (енергія зв’язку). У реакції питома енергія зв’язку в ядрах Гелію більша від питомої енергії зв’язку в ядрі Літію. Тому частина внутрішньої енергії ядра Літію перетворюється в кінетичну енергію р-частинок, які розлітаються.

Зміна енергії зв’язку ядер означає, що сумарна енергія спокою частинок і ядер, які беруть участь у реакціях, не залишається сталою. Адже енергія спокою ядра Мяс2 відповідно до формули Езв = Mс2 =(Zmп +Nmн -Мя)с2 посередньо виражається через енергію зв’язку. За законом збереження енергії зміна кінетичної енергії в процесі ядерної реакції дорівнює зміні енергії спокою ядер і частинок, які беруть участь у реакції.

Енергетичним виходом ядерної реакції називається різниця енергії спокою ядер і частинок до реакції і після реакції.

Отже, енергетичний вихід ядерної реакції дорівнює також зміні кінетичної енергії частинок, що беруть участь у реакції.

Відкриття нейтрона було поворотним пунктом у дослідженні ядерних реакцій. Оскільки нейтрони не мають заряду, то вони без перешкод проникають в атомні ядра і спричинюють їх перетворення.

Наприклад, спостерігається така реакція:

Відомий італійський фізик Е. Фермі, який першим почав вивчати реакції, що спричиняються нейтронами, виявив наступне: ядерні перетворення зумовлюються навіть повільними нейтронами. Причому ці повільні нейтрони здебільшого навіть ефективніші, ніж швидкі. Тому швидкі нейтрони доцільно спочатку сповільнювати. Сповільнюються нейтрони до теплових швидкостей у звичайній воді. Цей ефект пояснюється тим, що у воді є багато ядер Гідрогену — протонів, маса яких майже дорівнює масі нейтронів. А під час зіткнення куль однакової маси найбільш інтенсивно передається кінетична енергія. Під час центрального зіткнення нейтрона з протоном, що перебуває в стані спокою, він повністю передає протону свою кінетичну енергію.

 





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити